2025年可控核聚变行业深度报告：多路线百花齐放，期待黎明时刻

一、混合堆：提高铀资源使用效率的利器

混合堆的好处在于可以提高铀资源的使用效率。根据《核能未来与Z箍缩驱动聚变裂 变混合堆》（彭先觉等），天然铀中U235的丰度仅为0.714%，而U238的丰度高达99.28%。 U235是易裂变核素,而U238的裂变存在较高阈能，裂变的难度较高，U238吸收一个中 子，再经过两次β衰变可以换变为另一种重要的易裂变核素P239。氘氚聚变产生能 量为14.1MeV的高能中子，高能中子可以引起U238等可裂变材料的裂变、（n，2n）、 （n，3n）等反应，这个对于提高U238的利用效率显得非常重要。 混合堆对聚变堆芯参数（主要是聚变功率和聚变增益）要求较低，同时可降低对第 一壁材料的耐辐照损伤、首炉氚供应能力的要求，改善系统能量平衡和氚自持，促 进聚变能提前应用。混合堆包层首炉燃料可用天然铀，每次换料后只要加入适量的 贫化铀，利用包层良好的燃料增殖能力实现铀资源的充分利用。

（一）Z 箍缩-裂变混合堆：实现混合聚变的重要方式之一

Z箍缩技术作为实现惯性约束聚变的重要途径之一，其核心原理在于等离子体在轴向 强大电流产生的洛伦兹力作用下，形成径向的自箍缩效应。当电流通过导体时，会 在导体周围产生磁场，在金属导体中，电流集中在表面薄层，磁场则分布于表面及 外部空间。运动电荷在磁场中会受到洛伦兹力的作用，产生向导线中心的加速度， 进而形成束流的自箍缩效应。当电流足够强大时，这种箍缩效应会引发等离子体向 中心压缩，在导体轴线附近形成高温高密度区域，为聚变反应创造条件。 用于实现核聚变点火的Z箍缩路径有快过程与慢过程。根据《核能未来与Z箍缩驱动 聚变裂变混合堆》（彭先觉等），Z箍缩过程按脉冲时长与负载结构可分为两类：一 种为慢过程，脉冲宽度一般为3–5μs，典型负载为线密度数十克/米的金属套，适用 于冲击波物理、高压物性、界面不稳定性等基础研究；另一种为快过程，每米线密 度通常为克级或更低，聚焦于高能X射线源、惯性约束聚变点火、辐射输运机制及聚 变能量转化研究。快过程以其短时高功率特性，被用于构建兆焦级高效辐射源平台。 电流为Z箍缩装置的重要参数。Z箍缩产生的X射线辐射能量E与驱动电流I的定标关 系为：Ex∝I 2，这个关系在衡定电流和负载阻抗不变的情况下是正确的，当1=1~20MA 时已被实验验证，因此如何提高装置的电流就显得非常重要。

Z箍缩聚变裂变混合堆由Z箍缩驱动器、聚变靶系统、裂变包层、爆炸室与能量转化装置等核心子系统构成。整体呈现出“聚变驱动+裂变放大”的一体化耦合架构，Z箍 缩驱动器作为系统的第一能量源与核心激发装置，承担将电能高效转化为X射线辐射 场与聚变点火条件的核心任务，其性能直接决定靶件压缩质量与整堆能量耦合效率。

相较于激光快点火、磁约束等纯聚变路径，Z-FFR以聚变+裂变辅助双机制设计，可 能构建出更具工程可行性的终极能源解法。传统纯聚变路径虽被视为终极清洁能源， 但在工程化过程中普遍面临氚资源受限、放射性副产物复杂、增益需求极高等瓶颈， 导致实际可行性受限。Z-FFR通过聚裂结合的混合路径有效缓解上述难题，构建出 更具现实可行性的能源闭环系统。一方面，Z-FFR大幅削减对氚的依赖，爆轰过程 中氚用量仅为毫克级，相较克量级氚推进方案显著降低辐射物质规模与泄露风险， 避免出现一旦事故即持续数十年治理的高放环境问题。另一方面，Z-FFR所引入的 裂变系统基于成熟核电站工业体系构建，具备稳定可控、安全性高的工程化经验， 不会额外增加新的放射性风险。

20世纪末至今，Z箍缩聚变研究经历了从概念验证、装置迭代到系统化集成的持续 推进。根据《核能未来与Z箍缩驱动聚变裂变混合堆》（彭先觉等），美国圣地亚哥 国家实验室（SNL）率先通过Z装置实现了1.8 MJ级X射线输出，能量转换效率达15%， 奠定了高功率Z箍缩路径的技术基础。2012年，俄罗斯启动“聚变点火计划”后因经济 停滞中止。中国工程物理研究院长期在惯性约束聚变研究中保持国际同步，2007年 提出“局部体点火靶”理念，解决了传统聚变点火难度高、能量利用率低的问题。2008 年正式提出Z-FFR混合堆概念，2013年成功输出10MA高电流脉冲并实现靶件驱动， 随后接近美国同类装置能力。2020–2021年间，研究团队完成多个LTD单模块装置、 50MA级驱动器与控制装置的集成与验证，并在“电磁驱动大科学装置”项目中获得立 项，完成“局部体点火靶”系统技术平台建设。2023年起，团队已具备引导百兆安超 导主导体开发能力，为未来Z-FFR驱动系统频次化与寿命化应用奠定基础。

Z-FFR在建造成本、燃料利用率与工程可行性方面具备一定优势。根据《核能未来 与Z箍缩驱动聚变裂变混合堆》（彭先觉等），在1GW热功率规模下，Z-FFR建造成 本约为30亿美元，低于纯聚变堆（>100亿美元）和快堆（50–60亿美元），略高于 热堆（约20亿美元），但在安全性、燃料循环与长期可持续性上表现更优。相较于 快堆需处理千吨级乏燃料、承担高昂后处理费用，Z-FFR不依赖钚循环，燃料来源 广泛，后端处理简化。纯聚变堆虽具理论清洁性，但工程实现难度大，材料与氚自 持问题未解。综合来看，Z-FFR在安全性、经济性与技术成熟度之间实现更优权衡， 具备一定的现实竞争力。

（二）托卡马克混合堆：托卡马克与裂变的结合

混合堆也可以是托卡马克与裂变的结合。托卡马克作为目前主流的可控核聚变构型， 近年随着超导技术尤其是高温超导技术的成熟，发展速度大大加快。托卡马克-裂变 混合堆与传统的托卡马克较为类似，主要却别在于包层，混合堆包层由第一壁、燃 料区、产氚区、屏蔽区构成，主要是多了燃料区及相关的屏蔽区。

二、Z-FFR 的关键技术：驱动器为最关键技术

（一）负载靶的设计：Z-FFR 实现聚变的重要部分

负载靶的设计有多种形式，钨丝阵的效果较好。Z箍缩的靶材，要求有很好的内爆压 缩对称性外，更重要的是要求靶的质量较小，以使内爆物质有很高的内爆速度。当 碰到中心轴或靶内物质时，动能转变成内能，因而内爆物质将有很高的平均温度， 能够把能量很容易地以热辐射（或X射线）形式辐射出去。刚开始的设计为金属套筒， 但是该方案很难做到既薄（微米量级）又均匀，后又提出了以金属丝阵代替金属套 筒的方法，新的方案对提高压缩均匀性、降低内爆质量、克服Z箍缩过程不稳定性等 具有重要意义，特别是钨丝阵，可以获得很高的X射线发射功率和产额。

钨丝阵也有多种形式。钨丝阵的形式多种多样，有单层钨丝阵负载、双层钨丝阵负 载、铝丝阵负载，钨丝直径可小至4~5um，钨丝根数可做到3根/mm或4根/mm。

（二）包层的设计：实现增殖测重要载体

包层为承担氚自持与产生裂变核素的载体。对于混合堆的包层，主要的要求有：保 证氚自持；能有比较大的能量放大倍数、易裂变核素的总产生率发于消耗率，这样 可以有利于长时间内系统的各指标不会下降，有利于提高铀资源的利用率。

混合堆的裂变包层可显著降低系统对聚变放能规模的依赖。由于高能中子辐照减弱， 靶初始投料量减少，有助于提升整体系统的经济性。裂变包层还能提供富裕中子， 在实现氚自持的基础上进一步提高铀资源的利用效率，降低高放射性废物的产出。 针对聚变裂变结合所带来的工程复杂性问题，Z-FFR采用天然铀或压水堆乏燃料作 为裂变材料，借鉴成熟的压水堆运行经验，同时通过简化包层设计、延长燃料更换 周期、执行“简便干法”后处理等策略，进一步增强其工程实现的可行性。 将包层靠近中心螺线管的部分称为内包层，而远离的部分称为外包层。从等离子体 向外看，整个包层可分为第一壁、裂变区、产区、屏蔽层等。根据《核能未来与Z 箍缩驱动聚变裂变混合堆》（彭先觉等）中的设计，该模型中裂变区燃料共有6层， 每层中U-Zr合金与水间隔布置，中间用锆隔开；产氚区共有2层，每层均含Li4SiO4。

（三）驱动器技术：LTD 有望成为未来的主流

驱动系统的核心在于如何在极短时间内释放高功率密度电流，同时满足高频运行、 模块化部署与辐射环境兼容性。根据《核能未来与Z箍缩驱动聚变裂变混合堆》（彭 先觉等），对于聚变研究而言，驱动器需要满足如下要求: 1. 驱动器最大电流大于等于30MA，最好能达到40MA； 2. 电流上升前沿（电流由0.1Imax升至0.9Imax所需的时间）可在100~150ns之间。 对于聚变能源应用，驱动器应满足如下要求: 1. 驱动器最大电流大于等于60MA，最好能达到70MA或更大； 2. 电流上升前沿可在100~200ns之间； 3. 磁绝缘传输线长度应可在15~30m之间； 4. 实现重复频率运行，频率应≥0.1Hz，即应做到10s打靶一次； 5. 要有很长的使用寿命，电容器和开关的可靠运行次数要达到300万次以上的水平。 电容器与开关系统寿命成为关键制约。从国际发展历程看，Z箍缩驱动器技术路径大 致经历了三代演进。

1. 传统路径：电容储能+Marx/Blumlein结构

20世纪中后期至今，传统脉冲功率驱动技术以电容能量存储-多级触发放电为核心， 典型形式为Marx发生器与Blumlein脉冲形成线（PFN）。以Gamble-II与闪光-II为 代表的系统结构，其通过多级模块串并联、油水绝缘成组布局，输出电流可达兆安 级，广泛应用于实验室核爆、脉冲辐射源等早期装置。但其存在单次使用、能量效 率低、重复运行能力差等限制，不适用于Z-FFR所要求的高频驱动。

Marx发生器为增加电压输出的重要手段。Marx发生器常用作驱动源的初级储能单元， 采用正、负极性高压直流电源向每级电容器并联充电，级间开关隔离，开关闭合后 串联放电以达到电压叠加的目的。 其原理在于，当一个电路的输出电压不能满足要求时，可以将多个同样的电路（通 称模块）的输出叠加在一起，当n个电容器串联在一起时，原理上输出电压可以是电 容充电电压的n倍，电容性叠加是Marx发生器的基本原理。

2. 过渡路径：IVA感应电压叠加

感应电压叠加（IVA）为20世纪80年代提出的新路径，代表设备为Hermes-III。该 技术通过多个磁芯线圈串联感应，逐级叠加电压，实现输出功率的倍增，具备工作 电压低、模块统一性好、结构紧凑等优势。Hermes-III装置由20级感应腔构成，系 统输出能力达到18MW/800kA，在解决传统路径体积庞大、寿命受限等问题方面提 供了过渡性方案，但在寿命与模块可更换性方面仍存在不足。

3. LTD驱动有望成为未来的主流路径，开关和电容为关键部分

LTD路径由IHCE率先验证，模块化设计实现兆安级电流输出能力。为打破传统Marx 发生器脉冲形成线路复杂、触发同步困难的工程瓶颈，俄罗斯IHCE（高电流电子研 究所）在21世纪初提出了LTD （快脉冲直线变压驱动源）技术方案（根据《中物院 快脉冲直线型变压器驱动源技术研究进展》（陈林等））。

LTD采用“整合为零”的设计思路。通过多小电容串联形成的模块集成，省去脉冲 形成线与阴-阳极结构，从而实现快脉冲直接输出、目标电压零电位转换，具备高度 工程一致性与模块化扩展能力。LTD有着和Marx发生器完全不同的电路拓扑结构和 工作原理。结构上单个LTD模块由若干低电感电容器和开关组成的放电支路并联组 成，多个LTD 模块可通过串、并联方式组合。每个LTD模块相当于一个单匝初级绕 组和一个单匝次级绕组耦合组成的变压器，模块电容器通过开关放电提供初级电流， 能量通过磁芯从初级耦合到次级，在次级实现能量的叠加。 LTD的优点在于显著地降低了对开关导通能力的要求，难点在于大量开关需要同步 触发。LTD 通过采用脉冲叠加的方法，将负荷分散到多个器件，大大降低了开关和 电容器等基本器件的功率要求，既可以实现高功率，又有利于改善器件的寿命和稳 定性。然而，由于LTD模块中的开关均为并联运行，因此LTD难点就是大量开关需 要同步触发。

2001年，IHCE研制出首个快脉冲LTD模块LTD-100，电流输出达100kA；2004年进 一步推出1MA级LTD-Z模，首次在模块堆叠、同步触发、多级间隙设计等关键节点 上完成工程验证，为兆安级LTD驱动系统奠定实际可行的系统基础（《面向Z箍缩驱 动聚变能源需求的超高功率重复频率驱动器技术》（邓建军等））。

LTD重频能力获得验证，国际评价高度肯定。LTD模块的高频运行能力已通过实验 平台验证，具备工程化应用潜力。根据《核能未来与Z箍缩驱动聚变裂变混合堆》（彭 先觉等），SNL构建的500 kA LTD模块重频实验平台实现1万余次脉冲放电，重复频 率达0.1 Hz，充分证明其在高频运行下的稳定性与寿命优势。得益于结构紧凑、功 率密度高及模块化易扩展等特性，LTD技术已成为国际脉冲功率研究重点。SNL脉 冲功率中心主任Matzen认为LTD是近年来脉冲功率技术领域的重要进展，而Z-IFE 项目负责人Craig Olson则高度评价其对下一代聚变系统的工程推动意义。

中国团队已完成关键技术样机研制，标志本土化路径正式启动。根据《中物院快脉 冲直线型变压器驱动源技术研究进展》（陈林等），2005年中国工程物理研究院实 现国内首个原理验证性快脉冲LTD模块研制，模块输出电流达41.4 kA，电流上升时 间为36.8 ns，验证了模块结构的有效性与快响应能力。根据，《中物院快脉冲直线 型变压器驱动源技术研究进展》（陈林等）为了对 LTD 模块关键技术进行初步验 证，2008年，开展了输出电流为100kA的快脉冲LTD模块设计研制，100kALTD模块共由10个支路并联而成，每个支路包括1只Ⅰ型多间隙气体开关和2台100kV/20nF 电容器以及相应的传输线。10只Ⅰ型开关分为两组分别由两路触发脉冲（90kV/15ns） 触发。模块直径约1.5m，厚度为20cm。LTD腔体采用气体绝缘，当电容器充电电压 为±90kV时，在1.1Ω负载上获得的电流幅度为102.2kA，上升时间为53.6ns。

根据《中物院快脉冲直线型变压器驱动源技术研究进展》（陈林等），根据Z箍缩驱 动器概念设计，输出电流约60MA的驱动器主要由60路并联组成，其中每一路为50 个模块串联。次级在真空磁绝缘模式下实现感应电压叠加（MIVA）。串联模块之后 通过磁绝缘传输线将高功率脉冲传输至中心汇流区和负载区。单路样机即为其中一 路的主体部份（如下图所示），主要包括50个标准LTD模块（每个模块参数与Z箍缩 驱动器LTD原型模块基本相同）组成的初级功率源、次级真空磁绝缘感应电压叠加 器、匹配假负载以及相应的充电、控制触发、复位和真空等配套系统构成。50个标 准LTD模块串联，其中每10个模块构成一个组件，组件之间为过渡段。根据LTD原 型模块参数，单路样机共需要3200台100kV/100nF电容器和1600只200kV气体开关。

根据《面向Z箍缩驱动聚变能源需求的超高功率重复频率驱动器技术》（邓建军等）， Z箍缩驱动器是一种大型超高功率脉冲功率装置，要产生约60MA的驱动电流并有效 输送至负载，需要两个方面的技术支撑。 1. 产生约60MA的电流。单路功率装置难以实现，必须通过多个脉冲功率装置（电 流达到MA量级、电压数MV）同步并联放电，再经过传输和汇流来实现。 2. 将数十MA的强大电流输送至cm尺度的负载，峰值电功率可达1013~1015W。功率 流密度非常高，一般的脉冲传输技术难以满足如此极端的要求，不得不借助真空磁 绝缘传输线（MITL）来传输能量，以实现超高功率流密度电脉冲传输。

因此，大Z箍缩驱动器技术可分为两个方面，即重复频率长寿命的初级功率源技术和 超高功率流密度电脉冲真空传输技术。 1. 初级功率源。LTD本质上是一种新型电路拓扑结构，驱动器的重复频率运行能力 和寿命潜力决定于开关器件及其同步触发技术。基于目前的判断，气体火花开关在 限定电流（<20kA）的条件下，寿命可望达到106甚至更高，但开关的导通延时及其 抖动会发生较大变化。基于低气压放电机理的气体开关（氢闸流管、赝火花开关和 BLT）在重复频率长寿命性能方面具有独特的潜力，不足之处在于“个性较强”， 即每个开关由于个体差异导致触发控制条件均有所不同，要想精确同步，每个开关 都需配置独立的触发控制系统，而开关的触发控制系统本身较为复杂，所以整个触 发控制系统将极为庞杂。长远来看，半导体开关器件用于大型驱动器是大势所趋， 半导体开关器件目前的问题在于功率容量低、电流上升速率低且价格昂贵。 2. 超高功率流密度脉冲真空传输技术。包括以下几个方面: （1）长距离磁绝缘传输问题。在实际工程设计中，由于中心汇流区的存在，跨度数 m甚至数十m的MITL，中心电极的定位问题无法回避，需要进一步的工程验证。 （2）电流密度极限问题，Z-FFR负载区线电流密度不超过3MA/cm，未超越ZR装置 负载区最高线电流密度，俄罗斯和美国针对该问题进行过专门的分解实验研究，在 线电流密度达7MA/cm条件下磁绝缘传输线仍可有效传输脉冲，所以该问题已在相当 程度得到验证。 （3）真空功率汇流结构问题，从聚龙一号和ZR的实践看，多路加多层两级汇流的 方式，在目前的电流水平下已经获得很好的效率，但是柱孔结构从原理上无法避免 零磁场区域的存在，因此必然存在能量的损失，在更高的电流密度下，柱孔汇流的 效率问题还需要深入研究，探索其他可能的汇流方式也是十分必要的。 （4）磁绝缘传输线间隙闭合问题，磁绝缘传输线间隙闭合与等离子体的扩散速度直 接相关，目前研究表明扩散速度为100~101cm/μs量级，影响因素复杂。对于脉冲 前沿一定的装置，MITL间隙闭合的速度影响到电极间隙的选取，在Z-FFR工作条件 下面临脉冲加长、电流增大的情况，需要重点关注平衡靶物理设计和驱动电流前沿 的选取，在进行深入物理机制研究的基础上进行优化设计。

三、Zap Energy：Z 箍缩聚变路径的工程化验证者

Zap Energy正通过剪切流稳定Z箍缩路径推进工程化聚变验证，构建极简紧凑型发 电架构。区别于托卡马克等路径，Zap避免使用大型超导磁体与高功率激光，其技术 核心是剪切流稳定Z箍缩路径（sheared-flow-stabilized Z pinch），具备更低系统复 杂度、更高体积功率密度的潜力。 Century是Zap聚变路径的工程验证核心平台，集成放电、电极、液金三大关键系统。 2024年，Zap正式启动第一个具备电厂级特征的实验平台Century，这是全球首个百 千瓦级、可重复运行的Z箍缩系统，集成并验证三大关键聚变发电要素：（1）重复 脉冲电源系统（0.1Hz频率，连续运行2小时，超1000次放电）；（2）液态金属循 环包壁系统（初始配置循环70kg铋，最终配置超一吨）；（3）高热流与中子通量下 的电极损伤缓解技术。

Century装置垂直布置。顶部注入脉冲电流，底部为液态金属循环腔，具备模拟聚 变堆真实运行环境的能力，当前聚变等离子体以氢为燃料，仅模拟放电与热载荷过 程，不发生实际聚变反应。 Zap已于2024年中完成首次等离子体与液态金属耦合运行，并在数周内完成1000次 连续放电测试，正在向美国能源部DOE设定的里程碑节点推进。

四、国内关注“星火一号”与“先觉聚能”

（一）星火一号：采用聚变-裂变混合堆

星火一号拟采用聚变-裂变混合堆方案。根据联创超导公众号2023年11月的推送， 2023年11月12日江西省人民政府与中国核工业集团有限公司签订全面战略合作框 架协议，江西联创光电超导应用有限公司和中核聚变（成都）设计研究院有限公司 在国家国防科工局领导、中国核工业集团领导、江西省人民政府领导等各界的见证 下签订协议，双方计划各自发挥技术优势，采用全新技术路线，联合建设可控核聚 变项目，技术目标Q值大于30，实现连续发电功率100MW，该项目拟落户江西省， 工程总投资预计超过200亿元人民币。 星火项目目标2030年代商业化。根据核聚变前沿公众号3月的推送，“星火”项目 选址于江西省南昌市的瑶湖科学岛，目前正在紧锣密鼓地进行环境影响评估招标工 作，根据规划，“星火”项目计划在2025年完成聚变裂变混合堆实验技术验证，2029 年发出第一度电并入电网，2035至2040年开始大规模商业化。

（二）先觉聚能：积极布局聚变裂变混合能源新型技术

国光电气积极参与先觉聚能。3月6日，国光电气在投资者互动平台回复，与天府创 新能源研究院等股东共同出资成立先觉聚能科技（四川）有限公司，标志着国光电 气在聚变裂变混合能源领域的战略布局迈出了重要一步，国光电气在其股权占比为 7.5%，上市公司共有两位董事在其董事会任职，其中张亚先生任职董事长。 先觉聚能定位为支撑天府创新能源研究院发展并拓展其职能的市场化机构，与其共 同构建起“研究院+公司”相互支撑的聚变裂变混合能源事业核心组织架构。国光电 气在其中主要立足于自身工程化、产业化生产优势以及多年核工业专用设备研发制 造经验积累，深度参与并积极推动聚变裂变混合能源新型技术的市场化应用，培育 聚变裂变混合能源产业链，引领并拓展市场需求，按需组织项目科研，开展科技成 果转移转化，产业孵化等。根据3月6日国光电气在投资者互动平台的回复，上市公司已与彭院士团队及天府创新能源研究院保持着密切沟通。 天府创新能源研究院：2021年2月在成都设立的一家新型研发机构，依托中物院技 术基础与人才优势，创新体制机制，分步实现电磁驱动聚变-裂变混合堆能源，发展 创新能源技术，推动高新技术成果转化，支撑综合性国家科学中心和西部科技创新 高地建设，服务国防科研。电磁驱动聚变-裂变混合堆能源研究、创新能源技术研发、 应用技术开发和转化、基础科学及应用基础研究。 “Z-FFR”目标于2030年代建成商用示范堆。根据彭先觉院士2022年的演讲《核能 的未来与Z-箍缩驱动的聚变裂变混合堆》，“Z-FFR”大体上分为两个阶段，第一 阶段为2021~2028年，目标在于解决混合堆的科学技术问题以及建设50MA驱动器与 实现聚变规模放能，实现聚变点火燃烧，第二阶段为2028~2040年，目标在2035年 左右建成商用示范堆。

（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）